VITOR HUGO BREDA BARBOSA
MODELAGEM HIDROLÓGICA EM MICROBACIA DE EUCALIPTO E PASTAGEM NO ALTO RIO DOCE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae.
VIÇOSA
VITOR HUGO BREDA BARBOSA
MODELAGEM HIDROLÓGICA EM MICROBACIA DE EUCALIPTO E PASTAGEM NO ALTO RIO DOCE
Dissertação apresentada à Universidade Federal de Viçosa, como parte das exigências do Programa de Pós-Graduação em Meteorologia Agrícola, para obtenção do título de Magister Scientiae.
APROVADA: β8 de julho de β015
_________________________________ _________________________ Prof. André Quintão de Almeida Fernando Palha Leite
(Co-Orientador)
____________________________ Prof. Aristides Ribeiro
AGRADECIMENTOS
A Deus.
A toda minha família pelo apoio, incentivo e alegria nas vitórias, em especial a minha esposa Cristina, ao meu filho Joaquin, aos meus pais Rosa e Nilton e meu irmão Rafael.
A Universidade Federal de Viçosa, pela oportunidade de realização desta dissertação e ao CNPq, pelo auxílio financeiro.
A Cenibra pela oportunidade de pesquisa.
Ao meu Orientador Professor Aristides pelo apoio e amizade.
Ao meu Co-Orientador Professor André e Fernando da Cenibra pelo apoio e amizade. Aos professores do DEA pela ajuda na realização desta dissertação.
A todos que contribuíram de forma direta e indireta para esta realização, em especial Moisés pela ajuda operacional do programa, Alexandre Lorezon pelos ensinamentos de SIG, Guilherme e Anderson pela convivência, apoio e amizade.
A todos os funcionários do Departamento de Meteorologia Agrícola, em especial a Graça. A todos os colegas e amigos da pós-graduação pela convivência e troca.
BIOGRAFIA
Vitor Hugo Breda Barbosa, filho de Nilton Antônio Barbosa e Rosa Maria Breda Barbosa, nasceu no dia 07 de outubro, em Colatina, Espírito Santo.
Em β006, ingressou no Curso de Engenharia Florestal, na Universidade Federal de Viçosa, graduando-se em novembro de β01β.
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS ... vii
LISTA DE QUADROS ... viii
LISTA DE TABELA ... ix
RESUMO ... x
1. INTRODUÇAO ... 1
2. OBJETIVO ... 6
2.1 Objetivo Geral ... 6
2.2 Objetivo Específico ... 6
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 7
3.1 Modelo TOPMODEL ... 7
3.2 A relação das bacias hidrográficas com os plantios de eucalipto ... 13
3.3 A relação das bacias hidrográficas com a pastagem ... 14
3.4 Floresta de eucalipto x pastagem ... 15
4. MATERIAL E MÉTODO ... 17
4.1 Localização das Microbacias ... 17
4.2 Característica das Microbacias ... 18
4.2.1 Características físicas e do uso do solo ... 18
4.2.2 Características do solo ... 19
4.2.3 Características da cobertura principal do solo ... 20
4.3 Modelo hidrológico TOPMODEL ... 20
4.3.1 Escoamento sub-superficial na Zona Saturada (qb) ... 21
4.3.2 Escoamento sub-superficial na Zona Não Saturada (qv) ... 21
4.3.3 Escoamento superficial por excesso de Saturação (qof) ... 26
4.3.4 Propagação do escoamento superficial ... 26
4.3.5 Composição do hidrograma ... 27
4.4 Dados de entrada do modelo ... 28
4.4.1 Medidas hidrometeorológicas ... 28
4.4.1.1 Medidas Meteorológicas ... 28
4.4.1.2 Evapotranspiração potencial ... 29
4.4.1.3 Evapotranspiração real ... 30
4.4.2 Medidas hidrológicas ... 30
4.5 Indicador hidrológico ... 31
4.5.1 Indicador de disponibilidade hídrica ... 31
4.5.2 Indicador de geração de escoamento ... 31
4.6 Modelos digital de elevação ... 31
4.8 Modelagem do balanço hídrico ... 32
4.9 Parametrização, calibração e simulação do TOPMODEL ... 33
4.10 Estratégia para a calibração e simulação adotada ... 34
4.11 Método para avaliação do desempenho da modelagem ... 34
5. RESULTADO E DISCUSSÃO... 36
5.1 Parâmetros de entrada do modelo ... 36
5.1.1 Modelagem do terreno ... 36
5.1.2 Índice topográfico ... 38
5.1.3 Precipitação ... 40
5.1.4 Evapotranspiração ... 41
5.2 Estudo das Vazões ... 43
5.2.1 Variáveis fluviometricas ... 43
5.2.2 Resposta hidrológica ... 45
5.2.2.1 Indicador de geração de escoamento ... 45
5.2.2.2 Indicador de disponibilidade hídrica ... 46
5.3 Calibração do modelo hidrológico ... 47
5.3.1 Simulação hidrológica ... 50
5.3.2 Ajuste de escala do hidrograma ... 54
5.3.3 Separação do escoamento superficial (runoff) e subsuperficial (base) ... 57
5.4 Balanço hídrico ... 58
6. CONCLUSÃO ... 60
7. RECOMENDAÇÕES FINAIS ... 61
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 –Fluxograma do modelo TOPMODEL ... 9
Figura 2 – Representação esquemática do balanço hídrico do solo no modelo semi-distribuido TOPMODEL ... 9
Figura 3 – Localização das microbacias hidrográficas analisadas no estudo ... 19
Figura 4 – Representação dos reservatórios pelo modelo TOPMODEL: (A) condição não saturada e (B) condição saturada ... 21
Figura 5 – Índice topográfico médio e déficit local ... 24
Figura 6 – Modelo digital de elevação das bacias de Cocais (MCE) e Santa Cruz (MPD). Projeção datum SAD 69, UTM – Zona 23S ... 36
Figura 7 – Mapa da declividade das bacias de Cocais (MCE) e Santa Cruz (MPD). Projeção datum SAD 69, UTM – Zona 23S ... 37
Figura 8 – Índice topográfico para as bacias de Cocais (MCE) e Santa Cruz(MPD) ... 39
Figura 9 – Distribuição do índice topográfico das bacias de Cocais (A) e Santa Cruz (B) .... 39
Figura 10 – Precipitação média para o ano de 2014 das bacias de Cocais (MCE) e Santa Cruz (MPD) ... 41
Figura 11 – Variação da evapotranspiração real média diárias para um ciclo sazonal referente ao período de medidas dos dados observacionais do estudo ... 42
Figura 12 – Distribuição das vazões ESPECÍFICAS média (A), máxima (B) e mínima (C) mensais no decorrer do ano de 2014, registrado por Thalimedes pertencente as estações das bacias de Cocais (MCE) e Santa Cruz (MPD) ... 44
Figura 13 – Índices de escoamento (I.E.) das microbacias (A) MCE e (B) MPD ... 46
Figura 14 – Indicação de diponibilidade hídrica ... 47
Figura 15 – Histograma das vazões diárias observadas e calculadas: (A) Bacia de eucalipto – MCE e (B) Bacia de pastagem - MPD ... 49
Figura 16 – Dispersão dos dados das vazões: (A) MCE e (B) MPD ... 53
Figura 17 – Histograma das vazões diárias corrigidas: (A) Bacia de eucalipto - MCE, (B) Bacia de pastagem - MPD ... 55
Figura 18 – Dispersão dos dados das vazões ... 56
Figura 19 –Fluxo de água no solo. (A) MCE ... 57
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 –Parâmetros morfométricos das bacias ... 18
Quadro 2 – Área e porcentagem das classes de uso da terra das bacias ... 19
Quadro 3 – Análise física dos solos das bacias ... 20
Quadro 4 – Parâmetros de entrada para o modelo ... 32
Quadro 5 – Valores dos parâmetros propostos por Almeida (2012) e utilizados no estudo de modelagem do balanço hídrico das bacias MCE e MPD ... 32
Quadro 6 – Características do relevo das microbacias ... 37
Quadro 7 – Classes de declividade e tipo de relevo das microbacias ... 37
Quadro 8 – Comparativa de evapotranspiração estimados para a pastagem e o eucalipto ... 42
Quadro 9 – Valores dos parâmetros encontrados na calibração do modelo ... 48
RESUMO
BARBOSA, Vítor Hugo Breda. M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, julho de β015. Mode-lagem hidrológica em microbacia de eucalipto e pastagem no Alto Rio Doce. Orientador:
Aristides Ribeiro. Coorientador: André Quintão de Almeida.
ABSTRACT
BARBOSA, Vítor Hugo Breda. M.Sc., Universidade Federal de Viçosa, July de β015.
Hydrological modeling of eucalyptus and pasture watershed in Alto Rio Doce. Adviser: Aristides Ribeiro. Co-adviser: André Quintão de Almeida.
1. INTRODUÇÃO
No Brasil, a matriz original de uso da cobertura da terra vem sofrendo alterações consideráveis ao longo dos anos, ocasionada principalmente pelas atividades relacionadasaos setores agrícola, agropecuário e da silvicultura. Tais atividades vêm causando perturbação e degradação pela falta de práticas conservacionistas e de manejo do solo e da água. O excesso de uso acima da capacidade de suporte acarreta a compactação do solo e consequentemente à sua degradação que tem como maior problema a redução da biodiversidade, afetando assim a qualidade, a quantidade e a distribuição dos recursos hídricos.
De acordo com Lima et al. (β008) a intervenção na vegetação existente durante estabelecimento de culturas anuais, pastagens e florestas comerciais de crescimento rápido, pode levar a um decréscimo nos estoques de matéria orgânica do solo. Em conseqüência do incremento do processo erosivo, aceleração da decomposição, redução no aporte de material vegetal ou diferenças na qualidade dos resíduos e alteração na dinâmica da água. Vários fatores afetam a magnitude e a rapidez com que essas mudanças ocorrem, incluindo a natureza do uso, tipo de solo, clima e vegetação original (PAUL et al., β00β).
Segundo Goudie (1995) a ação antrópica tem sido responsável pela aceleração das taxas pelas quais os sedimentos são removidos das encostas de várias maneiras se depositando nas áreas mais deprimidas dos rios, lagos, bacias e reservatórios, causando assoreamento e poluição dos corpos líquidos. O uso e ocupação dos solos naturais de maneira inadequada tem provocado o desaparecimento de mananciais de água em várias regiões do Brasil(BOTELHO e SILVA, 2004).
As taxas anuais de desmatamento foram as mais elevadas, entre os anos de 1970 e 1975 (KLINK E MACHADO, β005), devido ao programa de incentivos fiscais desenvolvido pelo governo, onde os agricultores foram atraídos pela grande disponibilidade de terras a preços mais baixos que do Sul do país para a abertura de novas áreas (MACEDO, 1996).
Minas Gerais é o estado com maior área de floresta plantada do país, concentrando a maior parte na região do Vale do Rio Doce, Centro Oeste, Noroeste, Centro Norte e Vale do Jequitinhonha/Mucuri (SILVA et al., β011).
naturais(COSSALTER e PYE-SMITH (β00γ), RIBEIRO et al. (β005), LIMA E ZAKIA (β006), MOSTER (β007), CARNEIRO et al. (β008) e FACCO et al. (β01β)).
Quanto às pastagenso estudo realizado pelo UNITED NATIONS ENVIRONMENT PROGRAMME (β004) mostra que cerca de β0% das pastagens mundiais (naturais e plantadas) estão degradadas ou em processo de degradação, sendo essa proporção pelo menos três vezes maior nas regiões mais áridas do planeta. Em termos globais, uma das principais causas de degradação de pastagens de influência antrópica direta é o manejo inadequado (FAO, β009). No Brasil, a degradação de pastagens está presente em todas as regiões e em niveiss muito elevados, justificada pelo baixo retorno econômico da atividade e o manejo tradicional inadequado, que envolvem sobre pastejo, falta de adubação e controle de pragas e doenças, além da limpeza pelo uso anual do fogo. No entanto, o problema tende a ser maior nos locais em que a pecuária vem apresentando as maiores taxas de expansão, isto é, nas áreas de fronteira agrícola (DIAS-FILHO, β014).
As áreas de pastagens, principalmente as que apresentam maiores taxas de degradação do uso do solo, modificam a estruturam da camada superficial. Esta alteração da propriedade física, associada com fatores do relevo, propicia processos de diminuição da permanência da água na bacia de estudo, aumentando o escoamento superficial e diminuindo a infiltração de água no solo. Implantar um povoamento florestal implica demarcar áreas de reserva legal e de preservação permanente, o que garante o equilíbrio da biodiversidade natural entre as florestas plantadas (ABRAAF, β008).
De acordo com estimativas do Censo Agropecuário Brasileiro IBGE (β006), entre 1975 e β006, as áreas de pastagem do País diminuíram nas regiões Sudeste, Sul e Centro -Oeste, aumentando apenas nas regiões Norte e Nordeste. No Brasil, como um todo, o crescimento das áreas de pastagem, desde meados da década de 1970, foi de apenas 4%. De acordo com Dias-Filho (β014), o baixo crescimento médio das áreas de pastagem brasileiras nos últimos γ0 anos ocorre principalmente como consequência da expansão das áreas agrícolas, de reflorestamento e de urbanização sobre as áreas originais de pastagem, além dos avanços em melhoramento genético.
O uso da terra promove também alterações nos balanços de energia e da água. Podendo ser destacadas modificações na radiação solar refletida pela superfície (albedo), na capacidade de infiltração da água no solo, na interceptação da precipitação pluvial, nas taxas de evapotranspiração e na disponibilidade e qualidade da água dos cursos d'água (ANDRÉASSIAN, β004, BRUIJNZEEL, β004, RODRIGUES, β011, ALMEIDA et al., β01γ).
(198β), Bruijnzeel (β004) e Andréassian (β004), entre outros. A substituição da floresta por pastagem ou cultivos leva a um aumento do escoamento superficial, assim como a maiores vazões de pico em eventos individuais(RODRIGUES, β011), verificando a diminuição da vazão base da bacia em consequência da diminuição do tempo de permanência da água.
A remoção da floresta, afeta o balanço d’água modificando os caminhos naturais do fluxo e levando a um incremento no escoamento superficial (ZIEGLER et al., β004). No entanto, em florestas fragmentadas, o escoamento superficial produzido, devido à compactação do solo, por vezes drena dentro de fragmentos de floresta que apresentam uma maior capacidade de infiltração, reduzindo o impacto na rede de drenagem (ZIEGLER et al, β007).
Ao comparar o potencial matricial da água do solo na pastagem ao da floresta ombrófila densa estudada por Groppo (β010), encontrou que para os períodos chuvosos, não há diferença marcante no potencial matricial da água do solo. Esta similaridade permite inferir que a diferença de cobertura vegetal tem pouca influência sobre a umidade do solo que rapidamente é reposta pelas chuvas de baixa intensidade. Porém, analisando apenas o período de estiagem, observou que a floresta exibe potenciais matriciais muito mais baixos (negativos). Esse fato também foi observado por vários outros autores comparando florestas e pastagens (NEPSTAD et al., 1994; JIPP et al., 1998; MORAES et al., β006).
Em todos os estudos mencionados bem como na comparação feita em relação ao trabalho realizado por Groppo (β010), a absorção pelo sistema radicular mostrou-se muito mais vigorosa na floresta do que nas pastagens durante a estação seca, o que reflete as diferenças de uso da água pelas diferentes comunidades vegetais que possuem estrutura e metabolismo distintos.
O impacto da mudança do uso do solo na resposta hidrológica apresenta uma dependência com a escala e heterogeneidade da superfície, e, ainda, uma defasagem temporal. (RODRIGUES, β011).
No Brasil, Almeida et al. (β007) modelaram os componentes do balanço hídrico em uma microbacia hidrográfica cultivada com eucalipto na costa Leste do país, encontrando valores próximos entre as principais entradas e saídas de água durante os seis primeiros anos de crescimento da espécie. Florestas de eucalipto regulam o escoamento da água e a retêm nas microbacias hidrográficas (FACCOet al., β01β).
geralmente limitada a estudos em bacias de micro-escala. (RODRIGUES, β011).
Diversos modelos hidrológicos têm sido utilizados no estudo dos impactos das mudanças do uso do solo procurando conhecer os mecanismos que intervêm neste processo (LORUP et al., 1998, VANSHAAR et al., β00β, BATHURST et al., β004, LI et al., β007, MUELLER et al., β009, COE et al., β009). Os estudos utilizam diferentes cenários de uso do solo para alimentar os modelos hidrológicos e inferir os impactos que as mudanças entre cenários geram nas simulações. Tais cenários podem ter situações reais de ocupação de solo ou cenários hipotéticos futuros como a troca completa do tipo de cobertura. Em geral, os resultados das simulações têm mostrado mudanças significativas na resposta hidrológica da bacia, as quais apresentam um comportamento não linear e controlado por limiares definidos pelo grau de desflorestamento na bacia (COE et al, β009).
O desenvolvimento de modelos hidrológicos, como no trabalho sobre o índice de topografia realizado por Beven e Kirkby (1979), onde os efeitos da convergência topográfica são relacionados com a área drenada e a declividade, caracteriza as interações entre as partes altas e baixas da vertente. Outro exemplo da utilização da organização do sistema no desenvolvimento de uma conceitualização de processos é o modelo de capacidade de infiltração variável de Zhao (199β) e Zhao e Liu (1995), onde a auto-organização é expressa em forma de uma distribuição estatística da capacidade de infiltração ou da profundidade dos solos. O método de estimativa do balanço hídrico é mais eficiente quando considera os efeitos do relevo (FACCOet a., β01β).
A modelagem hidrológica se apresenta como uma ferramenta de baixo custo
computacional na análise dos processos hidrológicos, além de oferecer a possibilidade de
simulação e previsão de vazão. BEVEN (2001) cita que os modelos hidrológicos são um meio
de se estimar variáveis hidrológicas no espaço e tempo, com suporte à tomada de decisões,
como planejar o uso de recursos hídricos.
Silva (2005) cita que a limitação no uso dos modelos hidrológicos em ampla escala,
ainda é, a dificuldade de aquisição ou estimativa dos parâmetros necessários para as
simulações, principalmente no que diz respeito às informações geomorfológicas, tais como
topografia, tipo e uso do solo. Nos últimos anos, a disponibilidade de modelos de elevação
digital tem aumentado significativamente (BEVEN, 1997), assim como softwares livres do
tipo GeographicInformation System (GIS), que integrados com modelos hidrológicos podem
facilitar a derivação de informações necessárias.
Partindo do pressuposto de que a mudança no uso e ocupação do solo tem efeito nas variáveis hidrológicas, a presente pesquisa foi norteada pelas seguintes hipóteses:
comerciais deeucalipto em área de altitude em bioma de transição Mata Atlântica impõe maior uso da água no processo de evapotranspiração;
Maior escoamento superficial em uso de solo por pastagem em comparação com cultivos comerciais deeucalipto;
2. OBJETIVO
2.1. Objetivo Geral
Avaliar a influência do uso do solo com cultivos comerciais de eucalipto e pastagem sobre os recursos hídricos através de dados observacionais e modelagem hidrológica em microbacias hidrográficas localizadas no Alto Rio Doce.
2.2. Objetivo Específico
2.2.1. Monitorar variáveis hidrológicas e comparar os principais componentes dobalanço hídrico de microbacias pareadas cobertas por pastagem e por eucalipto comercial; 2.2.2. Parametrizar e calibrar o modelo hidrológico TOPMODEL as duas microbacia
estudadas;
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
3.1. Modelo TOPMODEL
TOPMODEL é um modelo hidrológico semi distribuído conceitual, baseado nas características topográficas da bacia. O modelo considera que regiões com as mesmas características topográficas respondem de forma semelhante aos fluxos. Apresenta baixo tempo de processamento e disponibilização livre de seu código fonte (BEVEN e KIRKBY, 1979). É amplamente utilizado em diversas aplicações destacando-se a previsão de profundidade do lençol freático (LAMB et al. 1997, SEIBERT et al. 1997), previsão de vazão (FREER et al. β004, LAMB et al. 1997, MINE e CLARKE, 1996), determinação de áreas saturadas dentro de uma bacia hidrográfica (SANTOS e KOBIYAMA, β008), entre outros.
O modelo TOPMODEL estabelece que a topografia é a informação fundamental na geração do escoamento direto da bacia hidrográfica. O modelo utiliza o princípio da conservação da massa (Entrada = Saída), isto é, a diferença entre as taxas de fluxo de entrada e saída da bacia determinará a taxa de variação do armazenamento de água. A variação da taxa de armazenamento de água é realizada por diversos reservatórios, destacando: a capacidade de interceptação da vegetação; o escoamento superficial saturado gerado pela infiltração excedente; e o fluxo de água na zona saturada (BEVEN e KIRKBY, 1979). A taxa de armazenamento de água no reservatório da zona das raízes é calculada pela taxa de evaporação potencial.
A diferença entre a precipitação sobre a vegetação e a evaporação potencial determina a precipitação efetiva, ou a quantidade de água que atinge o solo. A precipitação efetiva constitui a entrada para o reservatório do solo, que é dividido em duas zonas, a zona não saturada e a zona saturada. De acordo com os estudos de BEVEN (1997); ROMANOWICZ, (1997); SAULNIER (1996); FRANCHINI et al.(1996); MINE e CLARK (1996); ZAKIA (1998); SANTOS (β001); RANZINI et al. (β004), COELHO (β00γ), o modelo TOPMODEL apresenta algumas suposições básicas na definição do balanço hídrico do solo como: - a dinâmica da zona saturada que pode ser obtida por sucessivos estados de equilíbrio (“steady -state”); - o gradiente hidráulico do escoamento na zona saturada que pode ser obtido pela declividade da topografia local (tg ); - a distribuição da transmissividade da água ao longo da profundidade do solo varia exponencialmente com o déficit de armazenamento, tendo como limite inferior o plano de saturação; - a taxa de recarga para a região de saturação é considerada homogênea na escala espacial ao longo do tempo.
lençol freático, que são dependentes do fator topográfico, assim, as declividades do lençol freático e da superfície dos solos são as mesmas. O fator topográfico indica a possibilidade de um ponto qualquer numa bacia atingir condições de saturação. Valores similares do fato topográfico indicam comportamento hidrológico semelhantes. A terceira suposição considera que os fluxos dentro do perfil do solo ocorrem em função do teor de umidade e da condutividade hidráulica, condicionando transmissividade da água no solo. O modelo admite que a condutividade hidráulica saturada diminui com a profundidade de maneira exponencial, afetando assim, também, de maneira exponencial a transmissividade. A quarta suposição considera que o fluxo subsuperficial é proporcional ao produto da área de contribuição com a taxa de recarga do lençol freático. A recarga do lençol freático é considerada uniforme sobre toda a área de contribuição e o escoamento subsuperficial é transmitido em direção ao longo da drenagem de toda a bacia.
Segundo Dunne e Black (1970) citado por Vincendonet al. (β010) o TOPMODEL introduziu similaridade hidrológica e foi uma das primeiras tentativas de modelo distribuído em resposta hidrológica com base no processo de escoamento em áreas saturadas.
Figura 1 - Fluxograma do modelo TOPMODEL
Fonte: Adaptado Varella e Campana, β000.
O modelo TOPMODEL considera dois reservatórios de acumulação de água na bacia, como mostra a Figura β, que apresenta o esquema de simulação dos fluxos e dos armazenamentos para modelagem do escoamento superficial.
Figura β - Representação esquemática do balanço hídrico do solo no modelo semi distribuído TOPMODEL
Fonte: Adaptado Romanowicz, 1997.
na taxa potencial até o instante que o armazenamento seja nulo. O reservatório S1 contribui para o escoamento superficial no instante que a zona das raízes atinge a saturação. Valores de umidade acima da capacidade de campo produzem um fluxo de água que drena por gravidade em direção ao reservatório Sβ. No reservatório Sβ tem-se a formação do escoamento subsuperficial relacionado de maneira não linear com a quantidade armazenada em um determinado instante. O esquema da Figura β está condicionado à declividade local, a espessura do solo e acondutividade do solo. Esses fatores determinam a capacidade do solo em transmitir a água de um ponto qualquer da vertente para outro adjacente até o canal de drenagem. O escoamento no ponto de saída da bacia é a soma do escoamento superficial das áreas saturadas e do escoamento base:
q = qs+ qb(1) Em que:
q – escoamento total (m)
qs– escoamento superficial (m)
qb– escoamento base (m)
Grande parte dos estudos utilizando o TOPMODEL tem como objetivo realizar a
comparação da versão original com modificações em sua formulação e comparação com os
demais modelos hidrológicos.
Ambroiseet al. (1996), comparou a versão original do TOPMODEL a uma formulação
de decaimento parabólico da transmissividade, encontrando desempenhos similares.
Saulnie-ret al. (1997), incluíram a variabilidade espacial da profundidade do solo efetiva, não
encon-trando alteração considerável em relação versão original, confirmando a insensibilidade do
modelo para a variável profundidade. Silva e Kobiyama (2007) compararam duas formulações
que modificaram o índice topográfico do TOPMODEL com a formulação original, não
cons-tando melhorias ao modelo.
De acordo com Silva e Kobiyama (2007) as modificações dependem dos objetivos e
locais de estudo, devido a este fator, existem vários estudos que tentam validar ou modificar
as hipóteses do modelo. Sendo este a mais importante contribuição do TOPMODEL.
Demais estudos, aplicaram o modelo para realizar testes com objetivo determinar
pro-cessos intermediários como Santos e Kobiyama (2008), que aplicou o modelo para determinar
as áreas saturadas da bacia, encontrando boa aderência entre as vazões observadas e
volumes escoados e dos coeficientes de escoamento demonstraram que o modelo pode ser
aplicado para bacias agrícolas com área de drenagem em torno de 20 km².
Diversos autores que aplicaram o modelo TOPMODEL, como SCHULER (1998),
RANZINI (2002) e COELHO (2003), entre outros, realizaram estudos considerando a
cali-bração isolada para cada evento, portanto, os valores dos parâmetros encontrados do modelo
para as bacias não pode ser generalizado.
Varella (2008) indica que se trabalhe com a bacia de forma mais distribuída possível,
dividindo-a em sub-bacias que apresentem maior homogeneidade em termos de cobertura de
solo, aprimorando assim os cálculos de evapotranspiração e infiltração e, portanto do balanço
hídrico como um todo.
A utilização de microbacias hidrográficas experimentais no monitoramento dos componentes do balanço hídricos configura um excelente laboratório, proporcionando muitas vantagens quanto à precisão de cada componente do balanço e avaliação das técnicas de manejo hidrológico. A análise destes aspectos do ecossistema envolve características de clima, geomorfologia, solo, vegetação, deflúvio e evapotranspiração, com os quais, pode-se quantificar os processos hidrológicos da microbacia e correlacioná-los às diferentes variáveis relacionadas com a quantidade e qualidade da água, assim como sua dinâmica. (FACCOet al., β01γ).
É diferente simular a aplicabilidade do modelo hidrológico para uma bacia de pequena ordem e de bacias grandes. Em bacias de pequena ordem (até 10-15 kmβ), a conectividade dos caminhos do fluxo dentro das vertentes que formam a área de drenagem,bem como as características geomorfológicas da própria rede, controla a forma em que os impactos afetam a resposta hidrológica da bacia e como esses impactosse propagam para as bacias de maior ordem. Em bacia de larga escala (milhares de kmβ), entretanto, os impactos e sua propagação também são controlados pela heterogeneidade espacial de atributos biogeofísicos, tais como clima, vegetação, geologia, geomorfologia, somado à fragmentação da paisagem decorrentes da ação humana. Além disso, os efeitos das mudanças do uso do solo podem aparecer tardiamente na resposta hidrológica como resultado da memória de longo prazo associada principalmente com o armazenamento de água no solo e no aquífero. Muitas vezes os impactos das mudanças do uso do solo não atingem uma estabilidade no tempo, dificultando a determinação de relações estáveis entre precipitação e vazão (BRUIJNZEEL, β004 citado por RODRIGUES, β011).
hidrologia, o que leva a uma representação dos processos individuais por meio de modelos de caixa preta, onde dados observados de entradas e saídas são utilizados para estimar as funções de transferência e seus parâmetros. Um dos principais problemas desta abordagem reside no fato que muitas das teorias tradicionais dos processos não explicam em forma satisfatória esses processos e suas interações na escala da bacia, que ocorrem devido à presença das heterogeneidades naturais e da auto-organização dos sistemas, (RODRIGUES, β011).
O pressuposto de que as relações observadas na escala local são mantidas em escalas maiores tem levado assiduamentea conclusões equivocadas (BLÖSCH et al., β007), uma vez que diferentes processos são dominantes em diferentes escalas, e a descarga é o resultado de muitos fatores sobrepostos.
A abordagem downscaling tenta determinar um modelo conceptual em função da escala de interesse, para depois analisar os processos que podem explicar os padrões observados em escalas menores. Nesta abordagem é determinada e caracterizada a variabilidade hidrológica na escala da bacia e então são explorados os processos subjacentes que a controlam, relacionados com a heterogeneidade da paisagem, solos, vegetação, topografia, morfologia da rede de drenagem e as variáveis climáticas, entre outros. A metodologia inclui a identificação de um padrão de comportamento ou de um aspecto do processo observável na escala da bacia, a partir do qual são elaboradas hipóteses alternativas como potenciais explicações ou princípios de organização para esta característica (RODRIGUES, β011).
Os efeitos das mudanças do uso e cobertura da terra e da variabilidade climática na hidrologia de uma bacia são amplamente controlados pelos caminhos do fluxo, os que diferem em escala (espaço-tempo) e no seu grau de conectividade. Como todo sistema, uma bacia possui numerosos processos que interatuam em diferentes graus e escalas. Conhecer a forma que as mudanças do uso do solo e a variabilidade climática modificam estes processos e suas interações são fundamentais neste tipo de estudo(RODRIGUES, β011).
3.2. A relação das bacias hidrográficas com os plantios de eucalipto
As florestas desempenham importante papel na captação e na distribuição da água de chuva nas bacias hidrográficas, no processo de suprimento de água para a recarga dos aquíferos e na regulação do escoamento de água nas microbacias. O consumo de água por elas pode ser influenciado por fatores climáticos, edáficos e fisiológicos, como: demanda evaporativa do ar; quantidade de água no solo; e condutância da copa, controlada pela condutância estomática e área foliar (FACCO et al., β01β).
Existem muitas discussões e críticas em relação às florestas plantadas de eucalipto e seus efeitos no meio ambiente, como a degradação da paisagem, o empobrecimento do solo e erosão, impactos nos aqüíferos e lençóis freáticos e consequentemente baixa biodiversidade. Entretanto hoje os plantios de eucalipto estão em diversas regiões do mundo, em diferentes altitudes, tipos de solo e regimes pluviométricos (VITAL, β007), em regiõesonde o solo prévio à plantação já estava degradado ou possuía baixos níveisde fertilidade, as plantações de
eucalipto podem elevar a quantidadede húmus na terra, melhorando as condições de
fertilidade do solo, reduzindo processo erosivos e promovendo maiores taxas de infiltração de água no solo.
Dos vários estudos disponíveis na literatura nacional e mundial, constata-seque o
euca-lipto trás, com o devido tempo, uma regularização do deflúvio nasmicrobacias, acompanhado
logicamente de uma redução na produção de água naocasião de plantios realizados em áreas
que nunca abrigaram floresta de tipo algum.No entanto, o que pode tornar esse fato um
pro-blema, diz respeito ao quanto equando, essa diminuição na produção de água, afetará os
usuá-rios do recurso hídrico na bacia (BAUMHARDT, 2010).
Quanto a discussão do consumo de água pelo plantio de eucalipto, Poore e Fries (1985), afirmam que, quanto mais rápido o crescimento de um indivíduo arbóreo, maior será seu consumo de água. De acordo com Lima (1996) o eucalipto é uma árvore que possui um crescimento acelerado e por isso apresenta maior demanda por água, porém não diferindo muito de outras espécies florestais. Ainda segundo o mesmo autor, sua eficiência no uso de água é melhor que de muitas espécies florestais, pois a quantidade de madeira produzida por unidade de água evapotranspirada é considerada alta.
somente do consumo de água pelas plantas, mas também da precipitação pluviométrica da região.
Nas microbacias cultivadas com floresta de eucalipto, espera-se encontrar um aumento do fluxo de água para o processo de evapotranspiração concomitante com a diminuição do fluxo de água na saída da microbacia, comprometendo, assim, a disponibilidade hídrica natural (VON STACKELBERG et al., β007; NOTTER et al., β007; THANAPAKPAWIN et al., β007; NOSETTO et al., β011). O processo de evapotranspiração é o principal componente de perda de água na microbacia (ALMEIDAet al., β01γ).
Calderet al. (199β) demonstrou em seu estudo que algumas culturas anuais e perenes apresentam em seu ciclo consumo de água equivalente ou até maior que a da cultura de eucalipto, como a cana de açúcar que apresentou consumo de 100 – β000 mm/ciclo, enquanto o eucalipto foi de 800 – 1β00 mm/ciclo. A cultura do café e do citrus apresentaram 800 – 1β00 mm/ciclos e 600 – 1β00 mm/ciclos respectivamente.
3.3. A relação das bacias hidrográficas com a pastagem
As pastagens assim como as florestas plantadas têm seus efeitos no meio ambiente, com a degradação da paisagem, o empobrecimento do solo e erosão podendo afetar mananciais de abastecimento d’água, interferindo na qualidade de vida das comunidades rurais e urbanas, além dos impactos significativos na fauna e flora.
Estima se que boa parte das pastagens no Brasil esteja em avançado grau de degradação e a grande dificuldade existente é estabelecer critérios para avaliar o nível em que se encontra. Segundo Nascimento Júnior et al. (1994), a grande dificuldade para estabelecer critério de avaliação de degradação é pela grande diversidade de espécie, a peculiaridade de suas características morfológicas e as particularidades relativas a cada ecossistema analisado. Qualquer critério de avaliação em estágio de degradação deve se considerar a diminuição da produção e mudanças na composição botânica da pastagem e o grau de erosão do solo.
As nascentes são afetadas diretamente, pois perdem a capacidade quantitativa e qualitativa da água, quando sofre alteração nos ambiente de contribuição natural de infiltração em seu entorno e na área de recarga do lençol freático, comprometendo seu reabastecimento e sua produção de água (RODRIGUES, β006).
1989).
3.4. Floresta eucalipto x Pastagem
Pinheiro et al. (β01γ) sabe-se que normalmente, os plantios florestais encontram-se inseridos em ecossistemas sensíveis às perturbações antrópicas em função de razões como o relevo acidentado, solos com baixa fertilidade natural e antigas áreas agrícolas degradadas. Estes fatores associados às operações de manejo, colheita mecanizada da madeira, construção e manutenção de estradas florestais e ao potencial erosivo da região são os principais responsáveis pela perda da capacidade produtiva dos solos sob florestas plantadas e alterações da quantidade e qualidade da água em sub-bacias, decorrentes da erosão hídrica (SILVA et al., β011). Segundo Bertolet al. (β004), a erosão hídrica do solo ocasiona perda de espécies químicas e degradação da qualidade dos corpos de água e reduçãoda produtividade agrícola pelo empobrecimento do solo. A degradação do solo dos corpos de água é ocasionada pelas espécies químicas transportadas no escoamento superficial, podendo provocar a eutrofização pelo enriquecimento de nutrientes.
Ao comparar diversas microbacias cobertas com mata nativa, pastagem e
EucalyptusgrandisAzevedo (1995), descreve que na bacia revestida com eucalipto, a vazão diminuía lentamente após a chuva, mostrando que a saída de água era mais lenta com relação à bacia coberta somente com pastagem. Concluindo que a interceptação das gotas de chuva pelo dossel melhora o processo de infiltração, consequentemente recarrega o lençol freático melhorando a vazão da bacia.
Farley et. al. (2005), após uma revisão de estudos feitos em várias partes domundo,
concluiu pontualmente que a conversão de pastagens ou áreas devegetação nativa arbustiva
em florestamentos ou reflorestamentos poderá resultarna diminuição do deflúvio médio anual
com o aumento da idade das árvores.
MIELKE et al. 1999).
Sabará (1999), ao comparar vazões em pequenas bacias florestadas ecom pastagem em
MG, concluiu que apenas na estação chuvosa a vazãodos córregos em áreas florestais foi
su-perior às vazões dos córregos das áreas agrícolas. Nas estações secas, as diferenças entre as
vazões, foram consideradas insignificantes.
Nosetto (2005) comparou o rendimento hídrico em microbacias
floresta-das(Eucalyptusgrandis) com o rendimento e pastagem do pampa argentino e concluiuque dos
1350 mm anuais, a produção de água na pastagem seria de 720mm/ano e no eucalipto de 200
mm/ano.
A taxa de infiltração da água em solos florestais é de 10 a 15 vezes maior que uma pastagem e 40 vezes de um solo sem cobertura (DAVIDE et al., β000). A água que infiltra no solo, parte fica retida nas zonas das raizes e parte chega ao subsolo formando o lençol freático (VALENTE e GOMES, β005).
Estudos apontam que o reflorestamento com eucalipto de áreas degradadas cultivadas com pastagem provoca aumento das perdas de água por evaporação e reduz a produtividade de água (FARLEY et al., β005; NOSETTO et al., β005).
4. MATERIAL E MÉTODO
4.1. Localização das Microbacias
As áreas de estudo selecionadas são unidades hidrológicas distintas em uso e ocupação
do solo. Para o pareamento destas unidades, buscaram-se condições
edafo-climaticassemelhantes em um mesmo biomae que possuam processos climáticos similares.
Desta forma, o trabalho foi desenvolvido em duas Microbacias Hidrográficas (MB), com cursos d’água que não possuem afluentes, denominados de primeira ordem segundo cla s-sificação de Horton (1945), todas afluentes da Bacia do Rio Doce – MG. Foi selecionada uma bacia com cultivo comercial de eucalipto (MCE) e uma com cobertura de pastagem (MPD),
Figura 3.
Figura γ - Localização das microbacias hidrográficas analisadas no estudo
A microbacia formada por cobertura de eucalipto MCE, possui uma área de 40 ha, está localizada nas coordenadas: latitude: 19ºβ8’ S, longitude: 4βº49’ W, com altitude de 975 m próxima ao município de Antônio Dias. Esta região é caracterizada por clima (Cwa) frio e
úmido, com ocorrência de eventos de precipitação ao longo do ano. Nesta área, a precipitação
média anual é de 1135mm e a temperatura e umidade relativa do ar anual média são de 20,3
ºC e 71,2 %, respectivamente.
A microbacia de pastagem MPD, com área de 22,68 ha, está localizada nas
coordena-das: latitude: 19°4’ S, longitude: 4β°β1’ W, com altitude de 864 m próxima a cidade de Peç a-nha. O clima (Cwa) desta região é frio e úmido, com precipitação total anual média de 1180
mm e temperatura e umidade relativa di ar média de 21°C e 72%, respectivamente.
As microbacias experimentais se encontram a um distancia de aproximadamente 100
km, sendo possível verificar pequenas diferenças de temperatura (0,6° C), umidade do ar (2%)
e nos totais anuais de (45 mm), características climáticas muito semelhantes e, portanto,
fun-damental para as comparações dos objetos desse estudo.
4.2. Característica das Microbacias
4.2.1. Características físicas e do uso do solo
O Quadro 1 apresenta as principais características morfometricas das microbacias
es-tudadas. A microbacia com pastagem apresenta menor declividade em comparação com a
microbacia formada por plantio comercial de eucalipto.Os índices de Circularidade (IC) e
Compacidade (Kc), também apresentam valores parecidos, indicando bacias mais circulares,
tendendo para ocorrência de inundações das partes mais baixas.
Quadro 1 - Parâmetros morfometricos das bacias
Parâmetros Microbacia
MCE MPD
Uso da terra Eucalipto Pastagem
Área (ha) 36,29 22,68
Perímetro (km) 2,56 1,88
Altitude média (m) 997 856
Declividade média (%) 26,09 16,68
Índice de Circularidade 0,70 0,80
Coeficiente de compacidade 1,19 1,10
As principais classes de cobertura de uso da terra existentes nas microbacias são
apre-sentadas no Quadro 2. As maiores porcentagem de remanescentes de Mata Atlântica estão
de estradas em seu interior, totalizando o valor de 4% para a MCE. Encontra-se um pequeno
açude (<0,01) localizado a foz da microbacia formada por pastagem MPD.
Quadro β - Área e porcentagem das classes de uso da terra das bacias
Uso (ha - %) Microbacia
MCE MPD
Açude - < 0,01 (<0,1%)
Estrada vicinal 1,65 (4 %) 0,20 (1%)
Eucalipto 31,55 (79 %) -
Pastagem - 22,47 (98,9%)
Reserva Legal 6,80 (17%) -
Área total 40 22,68
Fonte: Adapto de Almeida, 2012.
4.2.2. Características do solo
De acordo com Almeida (2012), as principais características físicas e texturais dos
so-los das duas microbacias podem ser visualizadas no Quadro 3. O solo característico da MCE é
do tipo CambissoloHáplico Distrófico Latossólico, com textura argilosa cascalhenta e da
MPD é o Latossolo Vermelho Distrófico típico, de textura muito argilosa.
Quadro γ - Análise física dos solos das bacias analisadas
Parâmetro MCE MPD
Cobertura da terra Eucalipto Pastagem
Tipo de solo CXbd LVd
Areia (%) 47 32
Silte (%) 14 10
Argila (%) 39 58
Densidade do solo (g/cm³) 0,94 1,3
Porosidade 62 49
Taxa de infiltração estável (mm/h) −+ 100 B −+ 17 A
As características físicas dos solos correspondem ao perfil de 0 a 1,5 e 0 a 0,3 metros de profundidade, nas mi-crobacias com eucalipto e pastagem, respectivamente.
Densidade do solo (Método do anel volumétrico); Taxa de infiltração (método do anel concêntrico).
+
−desvio padrão dos dados.
4.2.3. Características da cobertura principal do solo
O plantio florestal que compõem a formação vegetal da microbacia (MCE) éclones de
eucalipto grandis x urophylla. A data do plantio florestal da área no segundo semestre do ano
de 2012. Possuem espaçamento de 3,00 x 3,33 m, Na área, ocorreu manualmente, o controle
de formigas e plantas daninha com a utilização de defensivos agrícolas.
Ainda segundo Almeida (2012), na microbacia com pastagem (Brachiariadecumbens),
os cultivos foram estabelecidos após aração e adubação química. Há mais de duas décadas as
pastagens se destinaram ao pastoreio, sofrendo com intenso pisoteio de animais de grande
porte. Nestas áreas nenhuma prática de manejo agrícola e conservação dos solos foram
adota-das. Assim, estes solos estão degradados e expostos à ação direta de elementos
meteorológi-cos, como chuva e vento.
4.3. Modelo hidrológico TOPMODEL
Na formulação do TOPMODEL, três reservatórios representam o processo de geração
do escoamento, correspondendo à resposta média da bacia de capacidade homogênea. Na
Fi-gura 4 são representados os processo e reservatórios utilizados pelo modelo (SILVA, 2005).
São identificados 3 reservatórios, sendo eles:
Srz: reservatório da zona de raízes expresso em déficit de saturação da capacidade
má-xima de retenção (m);
Suz: reservatório da zona não saturada expresso em déficit de saturação (m);
Ssz: reservatório da zona saturada expresso em déficit ou profundidade (Sou Z’) de sa-turação (m) ou profundidade (m).
A Figura 4 identifica os processos gerados em cada célula representada para
confor-mação da bacia selecionada para estudo, de acordo com (SILVA, 2005), são:
qb: escoamento sub-superficial na zona saturada;
qv: escoamento sub-superficial vertical na zona não saturada;
Figura 4 - Representação dos reservatórios e processos utilizados pelo modelo TOPMODEL: (A) condição não
saturada e (B) condição saturada Fonte: Silva, β005.
Em que:
a’: área superficial da célula; r’: precipitação sobre a célula;
: declividade da célula; cl: perímetro de cada célula; η: porosidade do solo;
D: profundidade zona não saturada; ac’: área acumulada a montante da célula.
4.3.1. Escoamento sub-superficial na Zona Saturada (qb)
A transmissividade pode ser entendidacomo a capacidade de uma camada de solo
satu-rada pode ser permeável pela água e integsatu-rada ao longo do perfil. Segundo Beven (1981), a
variação da condutividade pode ser descrita como a função exponencial negativa:
K (�′) = − �′ (1)
Em que:
(z') condutividade hidráulica saturada na profundidade z';
condutividade hidráulica saturada na superfície do solo;
f é um parâmetro que descreve a taxa de decaimento da condutividade.
Para obter a transmissividade hidráulica saturada, é utilizado a equação [1] ao longo da
profundidade do perfil de solo:
T= 0 − �′ (2)
Em que:
T é a transmissividade da camada de solo saturado com a profundidade z'. A transmissividade
é máxima quando z' é igual a zero. A vazão por unidade de comprimento que atravessa esta
camada de solo é definida com a lei de Darcy. O gradiente de potencial hidráulico é aproxi-mado para a declividade da superfície (tan ). Uma vez que é suposto que a declividade da linha de água é igual a declividade da superfície (escoamento uniforme), a vazão
sub-superficial por unidade de largura é:
= 0 − �′tan (3)
Segundo Hornbergeret al. (1998), a profundidade z', isto é, a profundidade do lençol
freático, pode ser expressa em termos de armazenamento (déficit de saturação) S. Desta
for-ma:
z'=
� (4)
Em que:
η é a porosidade do solo. Substituindo [γ] em [4], produz:
= − � tan (5)
O termo /� pode ser substituído por / , pois ambos são parâmetros e não tem
de-pendência com variáveis da bacia, e cada forma m ainda representa um parâmetro de
decai-mento da condutividade. Com este mesmo procedidecai-mento, / pode ser substituído por a
transmissividade para profundidade zero (superfície), então a equação (5) para cada célula da
bacia fica:
�=T0 − tan �� (6)
Pela equação deIorgulescu e Jordan (1994), é utilizado o déficit negativo para a
satura-ção. O parâmetro m representa a camada ativa do solo que irá contribuir para a geração do
escoamento. Valores elevados de m indicam uma camada mais espessa e resulta em um
pro-cesso mais lento de geração de vazão. O parâmetro representa a transmissividade lateral do
água subterrânea e uma queda abrupta no hidrograma. A vazão específica para cada célula
fica:
�= � � (7)
Em que:
�é a intensidade da precipitação sobre a célula. Desta forma, substituindo a equação [7] em [6] e isolando o déficit, produz:
�= −m ln 0 � � (8)
Modificando a Equação [8]:
�= -m ln 0� – m�� (9)
De acordo com Silva (2005) na equação (9), observa-se que o déficit é função de dois
termos. O primeiro é diretamente dependente da taxa de precipitação sobre a célula e da
transmissividade saturada na superfície para aquela célula. No segundo termo, observa-se a
dependência do déficit com a declividade de um elemento de área. Esse termo ln � � =
�� é o índice topográfico de Beven e Kirkby (1979) que caracteriza regiões que possuem o
mesmo valor deste índice, como regiões com resposta hidrológicas semelhantes.
Baseado nesta hipótese, o modelo computa em forma de histograma, frações da área
total da bacia com os mesmos valores do índice topográfico, efetuando os cálculos de déficit
para grupos ou classes destes índices. Eliminando desta forma, a necessidade de cálculo para
grupos ou classes destes índices e a necessidade de cálculo célula a célula dos processos de
geração de vazão, aumentando significativamente o desempenho computacional. Desde que o
modelo considere apenas a variação espacial dos parâmetros de topografia, o déficit de
satura-ção a ser utilizado deve ser um valor médio para a bacia:
̅= ∫ � � = ∫ [− ln �
0� − �]dA (10)
Considerando a precipitação e a transmissividade constantes para toda a bacia, produz:
̅
= -mln
0 –m�̅ (11) Reformulando a equação (10), descreve-se:
( ̅+ �̅) = ln
0 ∴ 0 =
−[(̅+ �̅)]
Chegando a condição necessária para a ocorrência da saturação:
λ�= ln � an � ≥
̅
− �̅ (13)
Segundo Bevenet al. (1995) elementos de terreno com alto grau de declividade
apsentam menor disposição para gerar escoamento, enquanto que elementos localizados em
re-giões de convergência são propícios a geração de escoamento sobre os mesmos. Na Figura 5,
observa-se o esquema do modelo para a compartimentação do solo em camadas que
represen-tam os reservatórios e a aproximação do gradiente de potencial hidráulico a inclinação do
elemento de área.
Figura 5 - Índice topográfico médio e déficit local
Fonte: SILVA, 2005.
4.3.2. Escoamento sub-superficial na Zona Não Saturada (qv)
Bevenet al. (1995) expressa o fluxo entre os reservatórios Suz e Ssz como:
� = �
� (14)
Em que:
�: armazenamento na zona não saturada (m);
: parâmetro que representa o tempo de permanência da água na zona não
sa-turada (h/m);
Os fluxos da zona não saturada para a zona saturada somente ocorre no momento em
que é excedida a capacidade de campo do solo. A água ficará retida na zona das raízes
quan-do o valor de água disponível for menor que o valor da capacidade de campo. A água que
fica retira na � poderá ser retirada através da evapotranspiração. O � (Reservatório de
zo-na de raízes), representa a capacidade de interceptação da precipitação pela vegetação. Ele
não interage com os fluxos entre a zona saturada e a não saturada, sua única função é
permi-tir que a água nele armazenada possa ser extraída pela evapotranspiração.
De acordo com Rocha Filho (2010) o fluxo entre a zona não saturada e saturada,
ocor-re somente após o ocor-reservatório das raízes se apocor-resentar completamente pocor-reenchido. A partir
desse momento, o volume é deslocado para a zona saturada. Shulleret al. (2000) citam que
baixos valores de representam um solo bastante permeável, o que ocasiona uma intensa
percolação entre as zonas de saturação. Desta forma, para valores elevados de (alta
per-meabilidade), são necessários valores também elevados de para causar um atraso
signifi-cativo e uma possível boa representação do escoamento base.
Beven (1986) propôs outro equacionamento para a recarga da zona saturada, baseada
na Lei de Darcy:
� = ∇Φ − �′� (15)
Em que:
∇Φ: efetivo gradiente do potencial hidráulico; : condutividade hidráulica saturada;
�′�: é a profundidade local do lençol freático.
O reservatório �representa no modelo somente a precipitação interceptada pela
vege-tação, desta forma não influencia nos fluxos entre os reservatórios não saturados e saturados
(FRANCINI et al., 1996). Quando valores de déficit de saturação são positivos nestes
reserva-tórios, a percolação não ocorre, e a única maneira deste reservatório ser esvaziado é por meio
da taxa de evapotranspiração em relação ao tempo, fornecida como parâmetro de entrada
(ROCHA FILHO, 2010).
= − �
� (16)
Em que:
�: déficit de armazenamento;
�: déficit máximo;
Este procedimento é contabilizado quando não existe drenagem da zona não saturada
para a saturada ou quando o déficit de saturação local Si é menor ou igual a zero. Caso
contrá-rio, a água é extraída na taxa da evapotranspiração potencial (SILVA, 2005).
4.3.3. Escoamento superficial por excesso de Saturação (qof)
De acordo com Silva (2005), o escoamento superficial ocorre somente para as células,
ou para os valores de índice de similaridade hidrológico, em condição de saturação ( �≥ �) em determinado tempo:
� = � ′ � (17)
Em que:
�: intensidade da precipitação;
′ �: área saturada.
4.3.4. Propagação do escoamento superficial
Para propagar o escoamento ao longo da rede de drenagem o modelo estabelece um
histograma tempo-área derivado a partir de uma função distância-área. Segundo
Rodrígues-Iturbe e Rinaldo (1997), a função distância-área organiza a área de drenagem em função de
sua distância da exutória da bacia. Esta função representa as características da estrutura da
rede de drenagem de uma bacia e pode ser interpretada para mostrar o comportamento da
ba-cia a eventos de chuva.
O tempo para que uma determinada área contribua para a exutória da bacia é expresso
por:
= ∑�= � tan �� (18)
Em que:
�: comprimento (m) do segmento do escoamento com declividade igual a tan ��; N: numero de segmentos;
RV: velocidade no canal da sub-bacia (m/h).
Esta relação é baseada no modelo da onda cinemática que considera o escoamento
uni-forme. Segundo Beven e Kirkby (1979) e citado por Silva (2005), esta relação linear é
4.3.5. Composição do Hidrograma
De acordo com Silva (2005), para computar o escoamento total, é necessário obter a
somatória dos fluxos de cada um dos escoamentos descritos até o momento, desta forma, o
escoamento subsuperficial total é:
Qb= ∑�= �: (19)
Em que:
�: comprimento do trecho de cada canal i; N: número de canais.
Substituindo [6] em [19]
Qb = ∑�= � − �| tan �� (20)
Combinando [9] e [12] temos:
� = + (� - ��) (21)
Substituindo [20] em [21]:
= ∑�= � −(� �� | )tan �� (22)
Ou para toda a área:
= ∑�= � � ln 0 −[( | )−�] (21)
Em que:
∑�= � �é a área de contribuição total da bacia (A), a equação (21) fica:
= A ln 0 −� −( | ) (22)
A taxa de recarga da zona saturada é dada por:
= ∑�= � � (23)
O escoamento superficial total é computado a partir das regiões que se encontram em
situação de saturação:
Como a precipitação é considerada constante para toda a bacia, a equação (24) pode
ser escrita como:
= �∑�= � (25)
Em que:
�é a intensidade da precipitação e;
�é a área saturada.
4.4. Dados de entrada do modelo
Na metodologia de cálculo do TOPMODEL, o balanço de água em todas as zonas é feito num loop computacional externo, que tem como passo de avanço o intervalo de tempo, que para este trabalho foi considerado β4 horas. Para cada intervalo de tempo o modelo lê nos arquivos de dados os valores de precipitação e de evapotranspiração. Num segundo loop
interno ao primeiro, referente às classes de áreas com declividades iguais, calcula o balanço de água verificando se ocorreu a saturação da superfície e, portanto, se houve a geração de escoamento superficial. Neste momento, além das informações sobre precipitação e evapotranspiração no intervalo de tempo, o modelo requer as informações sobre a distribuição das frações da área total da bacia e seus respectivos valores de declividade expressos como índice topográfico de Kirkby e Beven.
4.4.1. Medidas hidrometeorológicas
4.4.1.1.Medidas meteorológicas
As torres meteorológicas foram instaladas no interior da MPD e por questões de
segu-rança foi instalado os dados da Estação Meteorológica Cocais, pertencente a empresa Cenibra,
distante 10 km da área experimental,
Cada estação possui sensores meteorológicos (precipitação, temperatura e umidade
re-lativa do ar, velocidade do vento e radiância solar) instalados. Estes sensores estão conectados
a um Datalogger CR1000 para realizar armazenamento dos dados coletados.
As medidas meteorológicas foram realizadas em integrais de 5 minutos, fornecendo os
totais precipitado, de radiância solar e as médias de temperatura e umidade relativa do ar e de
velocidade do vento. Todo o sistema de registro de dados foi alimentado por um painel solar
4.4.1.2.Evapotranspiração potencial
A evapotranspiração potencial foi estimada pela equação original de
Penman-Monteith:
� = −� + �+ + , /208 (26)
Em que:
T: transpiração (mm h-1);
s: declividade da curva de pressão de saturação do ar à temperatura do ar t (kPa°C-1); ,: balanço de radiação (MJ m-2 h-1);
G: fluxo de calor no solo (MJ m-2 h-1);
M: fator de ajuste de escala de tempo (3.600 s h-1 para inputs de dados horários);
� : densidade média do ar (Kg m-3) : calor específico do ar (MJKg-1°C-1); λ: calor latente de evaporação (MJ Kg-1
); DPV, kPa e : constante psicométrica (kPa °C-1
);
: velocidade do vento a dois metros de altura (m s-1).
4.4.1.3.Evapotranspiração real
A relação entre a evapotranspiração real da cultura ou vegetação (ETr) e a
evapotrans-piração de referência (ETo) de determinada área, pode ser representada pela seguinte equação
(Bernardo, 1995):
ETr = ETo . Kc . Ks(32)
Em que:
Kc - coeficiente da vegetação ou da cultura;
Ks - coeficiente que depende da umidade do solo.
Os valores do coeficiente da cultura (Kc) são normalmente conhecidos para culturas
irrigadas; entretanto, para vegetação natural, onde as plantas se encontram plenamente
desen-volvidas, isto é, em perfeito equilíbrio entre o crescimento e a senescência, não faz sentido a
Ado-tou-se neste estudo Kc igual a 1,04 para o eucalipto, valor determinado por Facco (β004) em um
estu-do conduziestu-do na região subtropical de altitude (800 m), onde este monitorou a variação da umidade estu-do solo na camada das raízes. E para a pastagem adotou-se o Kc igual a 0,85 (Pereira, 1997).
Neste trabalho, foram efetuadas simulações da evapotranspiração real utilizando-se,
para o cálculo de Ks, os métodosproposto porBernardo (1995). Considera que o parâmetro Ks
tem um valor máximo unitário correspondente à capacidade de campo, com uma queda em
proporções logarítmicas entre os limites capacidade de campo e ponto de murcha permanente.
Para o método de Bernardo (1995) o parâmetro Ks é dado por:
= (( −− + )+ )= ++ (33)
Em que:
– teor de umidade do solo na capacidade de campo em mm de água; – teor de umidade do solo no ponto de murchamento em mm de água;
�– teor de umidade atual do solo em mm de água;
��– lâmina atual de água no solo em mm de água;
� – capacidade total de água no solo em mm de água.
4.4.2. Medidas hidrológicas
Foram construídas 2 barragens com vertedouro triangular, com abertura de 90°para
ambas as bacias. A medida da vazão do curso d’água foi realizada com o auxilio de um lin i-grafo do tipo Thalimedes da marca OTT. As medidas de carga hidráulica (altura da lâmina d’água) foram armazenadas a cada 5 minutos. Posteriormente, em laboratório, os valores f o-ram convertidos em Vazão (Q) a partir da seguinte equação:
Vertedouro de 90°
= , 52 (34)
Em que:
Q = vazão em L s-1;
4.5. Indicadores hidrológicos
4.5.1. Indicador de disponibilidade hídrica (%)
É estabelecido pela relação entre a vazão mínima � e a vazão média no ciclo sazonal (anual), ou seja, é o percentual que a vazão mínima verificada em um mês específico representa da vazão média. É calculado pela seguinte expressão:
= � � (γ5)
Em que:
= � � � � � ℎ� �
� = �ã � �
= �ã �
4.5.2. Indicador de geração de escoamento (%)
É estabelecido pela relação entre e a vazão média � e a precipitação total nos di-ferentes meses estudados. Trata-se do percentual da chuva que se converte em escoamento. Indica o grau de infiltração, amortecimento, reserva ou captações de água na bacia
= � � (γ6) Em que:
= �
� = �ã �
= � � çã
4.6. Modelo digital de elevação
O modelo digital de elevação utilizado foi baseado em dados da Shuttle Radar TopographyMission – SRTM versão γ, em resolução de γ0 m, tratado para remoção da influência da vegetação e preenchimento de descontinuidades (conhecidas como sinks) que poderiam trazer problemas na geração do mapa de direções de fluxo. O modelo digital de elevação foi interpolado em topo toraster para a resolução β x β metros.
4.7. Parâmetros
Para aplicação do TOPMODEL são requeridos os parâmetros (Quadro 4) relacionados à área de estudo.
Quadro 4 - Parâmetros de entrada para o modelo.
PARÂMETRO Descrição UNIDADE
Armazenamento exponencial m
Transmissividade lateral saturada m²/h
t d Tempo de resposta da frente de umidade na zona nãosaturada, em termos de déficit - h/m
CHV Velocidade de propagação do escoamento no canal km/h
RV Velocidade de roteamento das sub-bacias km/h
� Déficit máximo da zona de raízes m
Déficit inicial na zona de raízes m
Condutividade hidráulica vertical média da superfície m/h
HF Frente de superfície úmida m
DTH Mudança do teor de umidade em toda frente de umedecimento Adimensional
4.8. Modelagem do balanço hídrico
A modelagem dos componentes do balanço hídrico foi realizada nas MCE e MPD, durante o ano de β014, na camada do solo correspondente à zona das raízes. No Quadro 5 citado por Almeida (β01β), encontra-se os principais parâmetros utilizados na modelagem dos componentes do balanço hídrico de cada microbacia.
Quadro 5 - Valores dos parâmetros propostos por Almeida (β01β) e utilizados no estudo de modelagem do balanço hídrico das bacias MCE e MPD
Parâmetro Cocais (MCE)MicrobaciasSanta Cruz (MPD)
Cobertura de terra Eucalipto Pastagem
Coeficiente da cultura – Floresta Nativa 1,10 0,85
Profundidade do sistema radicular β,5 0,7
Capacidade de campo (mm) 876 γ47
Ponto de murcha (mm) 57γ 181
Capacidade de água disponível no solo (mm) γ0γ 166
O balanço hídrico, aqui entendido balanço hídrico superficial para uma região ou bacia hidrográfica pode ser escrito como (UNESCO, 198β):
Em que:
△ = á � ;
= � � çã ;
� = � çã ;
= �ã ;
� = � �çã � � ;
O modelo de balanço hídrico utilizado parte de algumas premissas, considerando fluxos de entrada e saída e a variação no estoque de água no solo. O pressuposto de não existência de falhas geológicas na microbacias, capazes de realizar trocas subterrâneas de água com outras áreas é verificado na simulação TOPMODEL.
O valor da � foi calculado de forma homogênea para toda a bacia, consideração proposta para utilização do modelo TOPMODEl, e utilizada para a modelagem.
Para diminuir o erro presente do armazenamento de água no solo, foi utilizada a serie
histórica de 2012 a 2014. O balanço de água do TOPMODEL é referente ao déficit de
arma-zenamento de água proposta pelo modelo.
4.9. Parametrização, calibração e simulação do TOPMODEL
A calibração de um modelo hidrológico é uma etapa fundamental e consiste na modificação dos parâmetros dentro de um intervalo aceitável, para que as simulações, razão da modelagem matemática, represente todos os extremos possíveis e suas variações em todo espectro do processo objeto do estudo. Calibração deve permitir que um modelo replique condições previamente conhecidas do processo natural (VIESSMAN e LEWIS, β00γ).
Adotou-se para este trabalho, a técnica manual de calibração, conhecida também com tentativa e erro. Os resultados são comparados visualmente com valores de funções objetivo. Collischonn et. al. (β00γ) citam que em casos como este, onde o usuário já possui a experiência de calibrações seguidas em bacias diferentes, esta etapa se torna simples, rápida, e com funções multi-objetivo implícitas no processo, principalmente por saber os parâmetros de maior resposta dentro das características processual do fenômeno a ser previsto.
